CN107542444B - 一种基于激光信号的高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光信号的高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法和用途，所述监测装置包括裂缝壁面模型和固定于裂缝壁面模型外的钢板；其中，所述裂缝壁面模型由树脂倒模形成，所述裂缝壁面模型一侧的钢板上设置激光发射器阵列，与设置有激光发射器阵列的钢板相对一侧的钢板上设置激光接收器阵列。本发明通过树脂倒模技术(激光信号可穿透)模拟真实裂缝的形态，并在模拟裂缝外加固钢板，使其可承压50MPa以上；借助激光信号，通过在钢板上增加高精度的发射器与接收器，实时传输信号源，动态监测支撑剂的运移与沉降，进而间接的完成在高压裂缝内支撑剂运移和沉降规律的可视化监测。

Description

一种基于激光信号的高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及 其使用方法和用途

技术领域

本发明属于有油田气开发利用领域，涉及一种高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法和用途，尤其涉及一种基于激光信号的高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法和用途。

背景技术

随着页岩气藏开采规模的不断扩大，水力压裂作为页岩气藏获产以及增产的必要手段之一，发挥着十分重要的作用。水力压裂是石油行业中最常用的增产方法，压裂改造可大幅提高单井产量实现经济有效的开发。无论是在常规油气藏还是致密、低渗等非常规油气藏，用于新井增产还是救活老井中，水力压裂都起着无比重要的作用，国内外的应用也逐年增多。

水力压裂的原理是把高压流体从井筒注入到地层，利用流体压力将地层压开，然后注入固体颗粒支撑剂(如石英砂和陶粒等)，使其随流体进入裂缝(缝宽约为3mm～8mm)，并在已经压开的裂缝中沉降，使得压力撤去以后裂缝仍然保持被撑开的状态，从而使油气很容易从地层中流出。因此，对支撑剂在高压裂缝中的运移与沉降规律进行研究是水力压裂增产改造的关键所在。

CN 104564048 A公开了一种支撑剂运移的大尺寸多裂缝模拟装置和方法，所述装置包括裂缝单元，裂缝单元包括主裂缝和设置在主裂缝至少一侧的多级分支裂缝，主裂缝和至少一条分支裂缝之间通过连接部件连接，并且连接部件设置有控制阀，用以控制主裂缝和至少一条分支裂缝之间的连通状态，其研究了不同裂缝形态下支撑剂沉降规律。

CN 104533404 A公开了一种模拟复杂缝网内支撑剂运移的可视化实验装置，包括供液及混砂***、泵注***、管路输送***、可视化裂缝网络***、循环液处理***、数据采集***和控制***。所述装置可以能够较真实的模拟复杂裂缝网络内支撑剂运移规律，探索滑溜水压裂支撑剂流动机理。

然而可以看出，现有对支撑剂在裂缝中的运移和沉降规律的研究大多集中在理论研究，而且忽略了高压环境，模拟的条件与结果与实际情况偏差较大，室内实验的研究甚少，而且模拟裂缝内高压状态下支撑剂运移与沉降动态规律的研究还未出现。

当前情况下，模拟支撑剂运移与沉降规律的实验设备大都是用玻璃或水晶等透明介质通过3D打印来模拟裂缝壁面，借助肉眼及高速摄像机拍摄实现可视化，但是在高压裂缝状态下，玻璃或水晶的承压能力(1MPa左右)有限，无法满足要求。

发明内容

针对现有模拟支撑剂运移与沉降规律的实验设备无法在高压裂缝状态下进行准确监测的问题，本发明提供了一种基于激光信号的高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法和用途。本发明通过树脂倒模技术(激光信号可穿透)模拟真实裂缝的形态，并在模拟裂缝外加固钢板，使其可承压50MPa以上；借助激光信号，通过在钢板上增加高精度的发射器与接收器，实时传输信号源，动态监测支撑剂的运移与沉降，进而间接的完成在高压裂缝内支撑剂运移和沉降规律的可视化监测。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置，所述监测装置包括裂缝壁面模型和固定于裂缝壁面模型外的钢板；其中，所述裂缝壁面模型由树脂倒模形成，所述裂缝壁面模型一侧的钢板上设置激光发射器阵列，与设置有激光发射器阵列的钢板相对一侧的钢板上设置激光接收器阵列。

本发明所述装置中，通过树脂倒模技术形成裂缝壁面模型，其与真实裂缝形态完全吻合，并且树脂倒模形成的裂缝壁面模型允许激光信号穿透，进而可以通过设置于钢板上的激光发射器和激光接收器完成高压裂缝内支撑剂运移的动态监测。所述树脂倒模技术为现有常规技术，故不再赘述。

本发明在所述裂缝壁面模型外固定钢板在于实现高压环境，以模拟裂缝内的高压环境，其所述压力≥50MPa。

本发明所述“固定于裂缝壁面模型外的钢板”是指钢板外包于裂缝壁面模型，所述钢板两两相对，围成立方体结构，裂缝壁面模型置于立方体结构的腔体中，但并不仅限于形成立方体结构，其他可以形成腔体且能完全包覆裂缝壁面模型的结构同样适用。

本发明中所述激光发射器阵列和激光接收阵列相对设置，以保证接收阵列可以接收到发射器阵列发出的激光信号。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述钢板密封固定于裂缝壁面模型外。

优选地，所述钢板承受的压力≥50MPa，例如50MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa、75MPa、80MPa、85MPa、90MPa或95MPa等以及更高压力，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述钢板密封连接形成具有腔体的立方体结构，所述裂缝壁面模型置于所述立方体结构形成的腔体中。

优选地，所述钢板形成的立方体结构的相对两面分别设置激光发射器阵列和激光接收器阵列，即立方体结构的一面设置激光发射器阵列，与其相对一面设置激光接收阵列，所述立方体结构可以仅一面设置激光发射器阵列，也可以有两面设置激光发射器阵列，而与激光发射器阵列相对的一面均对应的设置激光接收阵列。

作为本发明优选的技术方案，所述激光发射器阵列包括至少2个激光发射器，例如10个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个或100个等以及更多，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；所述激光发射器呈阵列式排布。

优选地，所述激光接收器阵列包括至少2个激光接收器，例如10个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个或100个等以及更多，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；所述激光接收器呈阵列式排布。

优选地，所述激光发射器阵列中的激光发射器所在位置与所述激光接收器阵列中的激光接收器所在位置一一对应。

第二方面，本发明提供了上述监测装置的使用方法，所述方法包括：使支撑剂和压裂液混合成的混合液进入裂缝壁面模型的裂缝中，在裂缝壁面模型中流动，通过裂缝壁面模型一侧钢板上的激光发射器阵列发射激光信号，通过裂缝壁面模型另一侧钢板上的激光接收器阵列接收激光信号，根据激光信号的实时传输在线监测支撑剂的运移与沉降过程。

本发明中，所述激光发射器阵列发射的激光信号可以穿过裂缝壁面模型，当含有支撑剂的混合液运移通过时，其阻隔了激光信号，另一侧的激光接收器阵列就接收不到激光信号或光感变的很低，进而可以通过激光信号的变化在线监测支撑剂的运移与沉降过程。

作为本发明优选的技术方案，所述支撑剂为石英砂、金属铝球、核桃壳、玻璃珠、塑料球、钢球、陶粒或树脂覆膜砂中任意一种或至少两种的组合，但并不仅限于所列的支撑剂，本发明所述装置对本领域所用支撑剂具有普适性。

作为本发明优选的技术方案，所述混合液在裂缝壁面模型中流动时，通过钢板对其施加≥50MPa的压力，例如50MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa、75MPa、80MPa、85MPa、90MPa或95MPa等以及更高压力，但并不仅限于所列举的数值。

第三方面，本发明提供了上述监测装置的用途，所述监测装置用于监测高压裂缝内支撑剂的运移动态。

优选地，所述高压裂缝内中所述高压≥50MPa，例如50MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa、75MPa、80MPa、85MPa、90MPa或95MPa等以及更高压力，但并不仅限于所列举的数值。

作为本发明优选的技术方案，所述监测装置用于监测高压裂缝内支撑剂的运移动态的***中，所述***包括支撑剂储罐、压裂液储罐、搅拌罐、输送泵、井筒、过滤罐和监测装置；其中，支撑剂储罐和压裂液储罐的物料出口搅拌罐的物料入口相连，所述搅拌罐、输送泵和井筒依次相连，所述井筒通过炮眼与所述监测装置的入口相连，所述监测装置的出口经过滤罐与压裂液储罐的物料入口相连。

本发明中，所述支撑剂储罐中的支撑剂和压裂液储罐中的压裂液在重力作用下流入搅拌罐中，按照设定的比例调配浓度后形成混合液，混合液从搅拌罐中流出通过输送泵送入井筒中，井筒中的混合液通过炮眼均匀的进入监测装置的裂缝壁面模型的裂缝中，监测裂缝壁面模型中支撑剂的运移和沉降情况，混合液从监测装置流出后进入过滤罐中，通过过滤罐中的滤网滤掉固体颗粒，剩下的纯液体返回压裂液储罐中进行循环利用。

作为本发明优选的技术方案，所述输送泵和井筒设置压力传感器。

优选地，所述井筒为钢制井筒。

优选地，所述输送泵为螺杆泵。

优选地，所述监测装置的出口处设有压力传感器、流量计和安全阀。

优选地，所述过滤罐和所述压裂液储罐之间设有循环泵。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述装置通过树脂倒模技术形成裂缝壁面模型模拟真实裂缝形态，并在裂缝壁面模型模外加固钢板，以模拟高压裂缝内的压力情况，通过设置于钢板上的激光发射器和激光接收器完成高压裂缝内支撑剂运移的动态监测，实现了在50MPa以上的高压裂缝内支撑剂运移和沉降情况的监测，准确率达到90％。

附图说明

图1是本发明实施例1中所述高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置的结构示意图；

图2是图1所示高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置从顶部向下的俯视图；

图3是图1所示高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置从左侧的侧视图；

图4是本发明实施例2中所述监测高压裂缝内支撑剂的运移动态的***的结构示意图；

其中，1-裂缝壁面模型，2-钢板，3-激光发射器阵列，4-激光接收器阵列，5-支撑剂储罐，6-压裂液储罐，7-搅拌罐，8-输送泵，9-井筒，10-过滤罐。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

本发明具体实施方式部分提供了一种高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法和用途，所述监测装置包括裂缝壁面模型1和固定于裂缝壁面模型1外的钢板2；其中，所述裂缝壁面模型1由树脂倒模形成，所述裂缝壁面模型1一侧的钢板2上设置激光发射器阵列3，与设置有激光发射器阵列3的钢板2相对一侧的钢板2上设置激光接收器阵列4。

其使用方法为：

使支撑剂和压裂液混合成的混合液进入裂缝壁面模型1的裂缝中，在裂缝壁面模型1中流动，通过裂缝壁面模型1一侧钢板2上的激光发射器阵列3发射激光信号，通过裂缝壁面模型1另一侧钢板2上的激光接收器阵列4接收激光信号，根据激光信号的实时传输在线监测支撑剂的运移与沉降过程。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置及其使用方法，如图1、图2和图3所示(其中图1中虚线为支撑剂运移轨迹，图2和图3中黑色部分代表还有支撑剂的混合液)，所述监测装置包括裂缝壁面模型1和密封固定于裂缝壁面模型1外的钢板2；

其中，所述裂缝壁面模型1由树脂倒模形成，先制作6块裂缝壁面模型(40cm×40cm×3cm)，然后将其依次拼接；所述钢板2密封连接形成具有腔体的立方体结构，裂缝壁面模型1固定于立方体结构形成的腔体中；钢板2形成的立方体结构的一面设置激光发射器阵列3，与其相对一面设置激光接收器阵列4，激光发射器阵列3和激光接收器阵列4中的激光发射器和激光接收器每2cm安放一个，各种总共有61个×21个。

所述监测装置在使用过程中，向钢板2施加50MPa的压力，使支撑剂和压裂液混合成的混合液进入裂缝壁面模型1的裂缝中，在裂缝壁面模型1中流动，通过裂缝壁面模型1一侧钢板2上的激光发射器阵列3发射激光信号，通过裂缝壁面模型1另一侧钢板2上的激光接收器阵列4接收激光信号，根据激光信号的实时传输在线监测支撑剂的运移与沉降过程。

实施例2：

本实施例提供了一种监测高压裂缝内支撑剂的运移动态的***及其使用方法，如图4所示，所述***包括支撑剂储罐5、压裂液储罐6、搅拌罐7、输送泵8、井筒9、过滤罐10和实施例1中所述的监测装置；其中，支撑剂储罐5和压裂液储罐6的物料出口搅拌罐7的物料入口相连，所述搅拌罐7、输送泵8和井筒9依次相连，所述井筒9通过炮眼与所述监测装置的入口相连，所述监测装置的出口经过滤罐10与压裂液储罐6的物料入口相连。

其中，所述输送泵8和井筒9设置压力传感器；井筒9为钢制井筒；所述输送泵8为螺杆泵；监测装置的出口处设有压力传感器、流量计和安全阀；过滤罐10和压裂液储罐6之间设有循环泵。

所述监测高压裂缝内支撑剂的运移动态的***在使用过程中，支撑剂储罐5中的支撑剂和压裂液储罐6中的压裂液在重力作用下流入搅拌罐7中，按照设定的比例调配浓度后形成混合液，混合液从搅拌罐7中流出通过输送泵8送入井筒9中，井筒9中的混合液通过炮眼均匀的进入监测装置的裂缝壁面模型1的裂缝中，监测裂缝壁面模型1中支撑剂的运移和沉降情况，混合液从监测装置流出后进入过滤罐10中，通过过滤罐10中的滤网滤掉固体颗粒，剩下的纯液体返回压裂液储罐6中进行循环利用。

本实施例所述***可以实现在50MPa以上的高压裂缝内支撑剂运移和沉降情况的监测，准确率达到90％。

综合上述实施例可以看出，本发明所述装置通过树脂倒模技术形成裂缝壁面模型模拟真实裂缝形态，并在裂缝壁面模型外加固钢板，以模拟高压裂缝内的压力情况，通过设置于钢板上的激光发射器和激光接收器完成高压裂缝内支撑剂运移的动态监测，实现了在50MPa以上的高压裂缝内支撑剂运移和沉降情况的监测，准确率达90％。

申请人申明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细制备工艺，但本发明并不局限于上述详细工艺方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体操作条件和方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (18)

1.一种高压裂缝内支撑剂运移动态监测装置，其特征在于，所述监测装置包括裂缝壁面模型(1)和固定于裂缝壁面模型(1)外的钢板(2)；其中，所述裂缝壁面模型(1)由树脂倒模形成，所述裂缝壁面模型(1)一侧的钢板(2)上设置激光发射器阵列(3)，与设置有激光发射器阵列(3)的钢板(2)相对一侧的钢板(2)上设置激光接收器阵列(4)；

所述钢板(2)承受的压力≥50MPa。

2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述钢板(2)密封固定于裂缝壁面模型(1)外。

3.根据权利要求1或2所述的监测装置，其特征在于，所述钢板(2)密封连接形成具有腔体的立方体结构，所述裂缝壁面模型(1)置于所述立方体结构形成的腔体中。

4.根据权利要求3所述的监测装置，其特征在于，所述钢板(2)形成的立方体结构的相对两面分别设置激光发射器阵列(3)和激光接收器阵列(4)。

5.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，所述激光发射器阵列(3)包括至少2个激光发射器，所述激光发射器呈阵列式排布。

6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于，所述激光接收器阵列(4)包括至少2个激光接收器，所述激光接收器呈阵列式排布。

7.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述激光发射器阵列(3)中的激光发射器所在位置与所述激光接收器阵列(4)中的激光接收器所在位置一一对应。

8.根据权利要求1-7任一项所述的监测装置的使用方法，其特征在于，所述方法包括：使支撑剂和压裂液混合成的混合液进入裂缝壁面模型(1)的裂缝中，在裂缝壁面模型(1)中流动，通过裂缝壁面模型(1)一侧钢板(2)上的激光发射器阵列(3)发射激光信号，通过裂缝壁面模型(1)另一侧钢板(2)上的激光接收器阵列(4)接收激光信号，根据激光信号的实时传输在线监测支撑剂的运移与沉降过程。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述支撑剂为石英砂、金属铝球、核桃壳、玻璃珠、塑料球、钢球、陶粒或树脂覆膜砂中任意一种或至少两种的组合。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述混合液在裂缝壁面模型(1)中流动时，通过钢板对其施加≥50MPa的压力。

11.根据权利要求1-7任一项所述的监测装置的用途，其特征在于，所述监测装置用于监测高压裂缝内支撑剂的运移动态。

12.根据权利要求11所述的监测装置的用途，其特征在于，所述高压裂缝内中所述高压≥50MPa。

13.根据权利要求11或12所述的监测装置的用途，其特征在于，所述监测装置用于监测高压裂缝内支撑剂的运移动态的***中，所述***包括支撑剂储罐(5)、压裂液储罐(6)、搅拌罐(7)、输送泵(8)、井筒(9)、过滤罐(10)和权利要求1-4任一项所述的监测装置；其中，支撑剂储罐(5)和压裂液储罐(6)的物料出口搅拌罐(7)的物料入口相连，所述搅拌罐(7)、输送泵(8)和井筒(9)依次相连，所述井筒(9)通过炮眼与所述监测装置的入口相连，所述监测装置的出口经过滤罐(10)与压裂液储罐(6)的物料入口相连。

14.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述输送泵(8)和井筒(9)设置压力传感器。

15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述井筒(9)为钢制井筒。

16.根据权利要求14所述的用途，其特征在于，所述输送泵(8)为螺杆泵。

17.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述监测装置的出口处设有压力传感器、流量计和安全阀。

18.根据权利要求13所述的用途，其特征在于，所述过滤罐(10)和所述压裂液储罐(6)之间设有循环泵。

Images